第四節(jié)課：飛機的布局與飛行器發(fā)展

1、航航 空空 概概 論（四）論（四）飛機的布局與飛行器發(fā)展飛機的布局與飛行器發(fā)展 郭郭 慶慶 萊特兄弟首次成功動力飛行萊特兄弟首次成功動力飛行1903年12月14日至17日美國人萊特兄弟設(shè)計制造的飛機首次實現(xiàn)了人類歷史上的動力飛行。這架飛機的翼展為這架飛機的翼展為13.213.2米，著陸裝置為滑橇式。最好的一米，著陸裝置為滑橇式。最好的一次飛行次飛行260260米，留空米，留空5959秒。秒。飛機的各個部件飛機各部件的功用 機翼 尾翼 舵面 機身 起落架 動力系統(tǒng) 操縱系統(tǒng) 機載設(shè)備 產(chǎn)生升力 穩(wěn)定和操縱 升降舵、方向舵、副翼、擾流片 裝載、連接其他部件 起降滑跑、地面支撐 產(chǎn)生推力。包括發(fā)動機

2、及其附件系統(tǒng)。 操縱飛機。 飛行儀表、通訊、導(dǎo)航、環(huán)境控制、生命保障、能源供給等等。 機 翼 機 翼機翼的功用 機翼是飛機的重要部件之一，安裝在機身上。其最主要作用是產(chǎn)生升力，同時也可以在機翼內(nèi)布置油箱和彈藥倉，在飛行中可以收藏起落架。另外，在機翼上還安裝有改善起飛和著陸性能的襟翼和用于飛機橫向操縱的副翼，有的還在機翼前緣裝有縫翼等增加升力的裝置。 翼 型 (a) 薄翼剖面(b) 凹凸翼型(c) 平凸翼型(d) 雙凸翼型(e) 對稱翼型(f) S形翼型(g) 超臨界翼型(h) 菱形翼型(i) 雙弧形翼型翼型(翼剖面) 平行于對稱面或垂直于前緣的剖面形狀翼型實例摘自“Understanding

3、Flight”,(David F. Anderson, Scott Eberhardt)翼型幾何參數(shù)弦長 c (作為基準)相對厚度 t最大相對厚度位置 xt相對彎度 fcxttmaxfl機翼的平面形狀 基本類型 平直翼 后掠/前掠翼 三角翼RectangularTaperedRounded or EllipticalStraight WingSweepback WingSlight SweepbackModerate SweepbackGreat SweepbackForwardComplexDelta WingSimpleSwing-wing機翼的平面形狀 機翼的幾何參數(shù)機翼的幾何特性q機翼

4、面積機翼面積S Sq翼展翼展l l -機翼左右翼尖之間的長度。q翼弦翼弦b b -翼弦是指機翼沿機身方向的弦長。q平均幾何弦長平均幾何弦長 b bavav（b0b1）/2 b0-翼根、 b1-翼尖或bav=S/lq展弦比展弦比 -翼展l和平均幾何弦長bav的比值。l/bav 或 l2/Sq后掠角后掠角 -機翼與機身軸線的垂線之間的夾角。q前緣后掠角前緣后掠角 -機翼前緣與機身軸線的垂線之間的夾角，一般用0表示q后緣后掠角后緣后掠角 -機翼后緣與機身軸線的垂線之間的夾角，一般用1表示q1/41/4弦線后掠角弦線后掠角 -機翼1/4弦線與機身軸線的垂線之間的夾角，一般用0.25表示。q前掠角前掠角

5、 -如果飛機的機翼向前掠，則后掠角就為負值,變成了前掠角。q根梢比根梢比 -翼根弦長b0與翼尖弦長b1的比值，b0/b1。機翼的平面形狀分類 機翼按平面形狀大致可以分為：橢圓翼、平直翼、梯形翼、后掠翼、前掠翼、三角翼（雙三角翼）等。 橢圓翼：平直翼三座小客機阿克-1（-1）平直翼：適合于低速飛行。目前的高速飛機很少采用平直機翼。 英國 “防御者”小型預(yù)警機 梯形翼后掠翼后掠翼：四分之一弦線處后掠角大于25度的機翼叫做后掠翼。由于這種機翼前緣后掠，因此可以延緩激波的生成，適合于高亞音速飛行。目前許多戰(zhàn)斗機和大部分的民用飛機都采用后掠翼。 如F14“雄貓”戰(zhàn)斗機為了兼顧高速和低速情況下的機動性，還

6、采用了后掠角可變的變后掠翼技術(shù)。 F14“雄貓”戰(zhàn)斗機的變后掠翼技術(shù)。 低速機翼低速機翼超音速機翼超音速機翼亞音速機翼亞音速機翼 前掠翼：前掠翼與后掠翼剛好相反，其機翼是向前掠的。目前采用前掠翼的飛機較少，只有一些高機動性戰(zhàn)斗機上（如俄羅斯的S37“金雕”）三角翼雙三角翼除此之外，機翼在安裝時還可能帶有上反角或者下反角(前視)機翼的前視形狀 上反角與下反角 上反角布局下反角布局機 身 機 身機身的功用機身的主要功用是：裝載人員、貨物、燃油、各 種裝備和設(shè)備等；把機翼、尾翼、起落架連接 成為一個整體。 按照機身的功用，首先在使用方面，應(yīng)要求它具有盡可能大的空間，使它的單位體積利用率最高，以便能裝

7、載更多的人和物資，同時連接必須安全可靠。應(yīng)有良好的通風(fēng)加溫和隔音設(shè)備；視界必須廣闊，以利于飛機的起飛和降落。機身的功用 其次在氣動方面，它的迎風(fēng)面積應(yīng)減小到最小，表面應(yīng)光滑，減小阻力。 另外，在保證有足夠的強度、剛度和抗疲勞的能力情況下，應(yīng)使它的重量最輕。對于具有氣密座艙的機身，抗疲勞的能力尤為重要。 機身的形式 飛機機身的型式一般有機身型、船身型和短艙型，機身型是陸上飛機的機體，水上飛機機體一般采用船身型，至于短艙型則是沒有尾翼的機體，它包括雙機身和雙尾撐。機身型飛機（陸上飛機）機身型飛機（陸上飛機）雙機身雙機身機身的形式水上飛機水上飛機機身的外形 機身的外形和發(fā)動機的類型、數(shù)目及安裝位置有

8、關(guān)。例如活塞發(fā)動機螺旋槳式飛機的機身，就與噴氣式發(fā)動機飛機的機身有所不同。 從機身外形來看，側(cè)面形狀一般為拉長的流線體。現(xiàn)代飛機的側(cè)面形狀受到駕駛艙的很大影響。有的駕駛艙平滑地露于氣流之中，有的則埋藏在機身之內(nèi)，前者多用于中小型飛機，后者多用于大型飛機。 機身的外形小型戰(zhàn)斗機駕駛艙暴露于氣流中機身的外形大型運輸機駕駛艙埋于機體中大型運輸機駕駛艙埋于機體中機身的外形 現(xiàn)代超音速戰(zhàn)斗機根據(jù)跨音速飛行的阻力特點，它的機頭往往做得很尖，使用激波桿，遠遠地伸出在迎面氣流之中。這也有助于削弱激波的強度，減小波阻； 另外隨著速度的不斷增長，飛機機身的“長細比”不斷增大，即用細而長的旋轉(zhuǎn)體作機身?，F(xiàn)代超音速飛

9、機機身的長細比已超過10。 而且隨著速度的提高，飛機機身相對于機翼尺寸也越來越大。機身的外形 還有些超音速飛機為了減小阻力，盡量將駕駛艙埋藏于機身外形輪廓線之內(nèi)。這樣就使得飛機在著陸時座艙視界大大惡化。為了改善這種情況，就將機頭做成活動的，著陸時可以下垂。例如“協(xié)和”號超音速旅客機機頭就可下垂17.5度。其機頭可有三種狀態(tài)。超音速飛行時，機頭呈流線形；亞音速飛行時，檔整流罩放下，以擴大駕駛員的視界；進場和著陸時則全部下垂，駕駛員視界就更擴大了。 機身的外形 機身剖面形狀：低速飛機可用方形，而具有氣密座艙的高亞音速大型客機多用圓形或橢圓形。噴氣式戰(zhàn)斗機一般采用不規(guī)則的形狀。 隱身戰(zhàn)斗機所使用的機

10、翼和機身融為一體的翼身融合體； 除去機身和尾翼的飛翼； 除去機翼的升力體機身； 以汽車作為機身的汽車飛機等等。 機身的外形 罕見機身外形 尾 翼 尾 翼尾翼的組成 水平尾翼(平尾) 垂直尾翼(垂尾或立尾) 舵面 + 安定面 低速 全動尾翼 超音速水平尾翼的功用 水平尾翼的功用：保持飛機在飛行中的穩(wěn)定，操縱飛機抬頭或低頭運動。 垂直尾翼的功用 是用來保持飛機在飛行中的穩(wěn)定性和控制飛機的飛行姿態(tài)。不同的是垂直尾翼是使飛機在左右（偏航）方向具有一定的靜穩(wěn)定性，并控制飛機在左右（偏航）方向的運動。6、尾翼的布置 尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，是飛機縱向和側(cè)向上的平衡、穩(wěn)定及操縱機構(gòu)。 尾翼設(shè)計的成敗，直

11、接關(guān)系到飛機的穩(wěn)定性和操縱性，同時在一定程度上影響飛機的飛行性能，如速度、升限等，所以尾翼是根據(jù)飛機的操縱 、穩(wěn)定性要求進行設(shè)計的。46尾翼的布置后置尾翼變化情況47尾翼的布置 常規(guī)型尾翼通?？稍谥亓孔钶p的情況，提供足夠的穩(wěn)定性和操縱性 T型比常規(guī)型重得多，因為尾翼必須加強，以支撐平尾 由于存在端板效應(yīng)，T型的垂尾可以較小 T型把平尾抬高，避開了機翼尾流和螺旋槳滑流，使其效率提高，從而減小平尾尺寸 T型減小了平尾顫振，從而減輕了結(jié)構(gòu)和飛行員的疲勞 十字型是介于上述二者之間的這種方案：既避免噴流對平尾或方向舵的干擾，又減小重量代價；但無法利用端板效應(yīng)來減小尾翼的面積48尾翼的布置 雙立尾可以把方

12、向舵設(shè)置得離開飛機中心線，通常比具有同等面積的單垂尾重，但往往更有效，也直接減少了所需的高度 在大迎角下，雙立尾可能被機翼或前機身擋住 雙立尾外傾對隱身有較大好處，一般外傾角在1525之間 V型尾翼是為了減小浸濕面積，與常規(guī)平尾和垂尾上對應(yīng)的力是V型尾翼上的力在水平和垂直方向的投影 NACA研究表明，要獲得滿意的操穩(wěn)性，V尾的尺寸需增大到其面積大約與所需的平尾和垂尾分開時的面積的總和相等，且操縱動作復(fù)雜，不過干擾阻力可以較低尾翼的型式 (a)常規(guī)尾翼常規(guī)尾翼(b)雙垂尾式雙垂尾式(c)雙機身雙機身(雙尾撐雙尾撐)上的雙垂尾上的雙垂尾(d)寬機身上的雙寬機身上的雙垂尾垂尾(e)“T”字型尾翼字型

13、尾翼(f)“”字型尾翼字型尾翼(g) “ V” 型尾翼型尾翼(h)無無(平平)尾式尾式(i)鴨翼鴨翼（a）（b）（c）（g）（i）（h）（f）（e）（d）50尾翼的布置F/A-18E尾翼錯開尾翼錯開J-10的雙腹鰭的雙腹鰭背鰭和腹鰭改善方向穩(wěn)定的特性 布局 飛機的布局52飛機的布局 根據(jù)配平翼面和機翼之間的相對位置和配平翼面的多少，通常分為以下幾種型式： 正常式布局：水平尾翼位于機翼之后 鴨式布局：水平尾翼位于機翼之前 無尾布局：只有一對機翼，但立尾有無不確定 三翼面布局：機翼前面有前翼，后面有平尾53飛機的布局 正常式布局54飛機的布局 正常式布局55飛機的布局 鴨式布局56飛機的布局 無尾

14、式布局同正常式布局飛機相比有如下的優(yōu)點 飛機結(jié)構(gòu)重量輕 隱身特性好 氣動阻力較小 超音速阻力更小57飛機的布局 三翼面布局F-15S/MDT驗證機驗證機SU-3558飛機的布局 前掠翼布局 前掠機翼具有后掠機翼的氣動優(yōu)點，但不存在后掠機翼翼梢分離的缺點：在迎角增大時，機翼根部最先進入失速。因為失速區(qū)不包圍副翼，這樣的失速不導(dǎo)致飛機橫向操縱性的喪失。這就提高了飛行的安全性，并提高了超音速飛機的大迎角機動性能。 前掠翼布局之所以 還未被廣泛應(yīng)用， 是因為前掠機翼的 彎扭擴散的問題。 59飛機的布局 聯(lián)翼布局 提高了抗彎扭強度，減輕了結(jié)構(gòu)重量 提供直接升力和直接側(cè)向力控制能力 減少了誘導(dǎo)阻力 減少了

15、跨音速和超音速波阻， 串列翼翼身融合 BWB 空中航母，1000乘客。飛翼XB-35 YB-49 影片JetAge飛行器的發(fā)展方向飛行器的發(fā)展方向 綜合設(shè)計 數(shù)字化 信息化aerosphere flight vehicle綜合設(shè)計(F22)五代機與UCAVX-47B數(shù)字化(Boeing777) CAD/CAE/CAM/PDM/ERP信息化(ProtoType)結(jié)構(gòu)試驗鐵鳥系統(tǒng)風(fēng)洞試驗電磁試驗信息化(ProtoType)ISR全球通戰(zhàn)場感知數(shù)據(jù)鏈 影片起落架 JetAge起落架的布置形式 起落架的布置有三種形式：起落架的布置有三種形式： 后三點式 飛機重心在兩個主輪之后； 前三點式 飛機重心在兩

16、個主輪之前； 自行車式 飛機的兩組主輪分別安置在機身下， 另外有兩個輔助護翼輪。后三點式起落架優(yōu)點：構(gòu)造簡單，重量輕；易于在螺旋槳飛機上布置；飛機停機角與最佳起飛迎角接近，易于起飛；便于利用氣動阻力使飛機減速。后三點式起落架缺點：方向穩(wěn)定性差，飛機容易打地轉(zhuǎn)后三點式起落架缺點： 著陸必須三點接點，操縱較困難后三點式起落架缺點：兩點接地時可導(dǎo)致飛機“跳躍”；后三點式起落架缺點： 飛機在高速滑行過程中采用剎車時，容易發(fā)生倒立、翻筋斗現(xiàn)象。后三點式起落架采用后三點式起落架的飛機：B17轟炸機前三點式起落架優(yōu)點：優(yōu)點：滑行時方向穩(wěn)定性好；滑行時方向穩(wěn)定性好；著陸時兩主輪接地，容易操縱；著陸時兩主輪接地，容易操縱；可以大力使用剎車，縮短著陸滑跑距離；可以大力使用剎車，縮短著陸滑跑距離；駕駛員視野良好；駕駛員視野良好；缺點：缺點：前起落架所受載荷較大，前輪在滑跑時容易擺振。前起落架所受載荷較大，